飛秒激光脈沖在混合氣體介質(zhì)中傳輸特性研究

井晨睿,王朝暉,亓協(xié)興,丁超亮

(1.洛陽師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院,河南 洛陽 471934;2.河南省電磁傳輸與探測重點實驗室,河南 洛陽 471934; 3.中國航空集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽 471000)

1 引 言

當(dāng)超強(qiáng)超短激光脈沖在氣體介質(zhì)中傳輸時,在克爾自聚焦和自散焦效應(yīng)的共同作用下,飛秒激光可以克服衍射等不利因素的影響,保持長距離傳輸而不發(fā)散,并在介質(zhì)中形成明亮的光絲。在光絲內(nèi)部激光光強(qiáng)通常鉗制在～5×1013W/cm2的數(shù)量級[1-2],在如此高光強(qiáng)的作用下,伴隨著飛秒激光光絲的形成,在激光與氣體介質(zhì)的相互作用的過程中也誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列新穎的非線性物理現(xiàn)象,如強(qiáng)場電離[3-5],高次諧波輻射[6-8],激光誘導(dǎo)人工增雨降雪[9-11],空氣激光[12-14]等。

值得注意的是,伴隨飛秒激光絲產(chǎn)生過程中出現(xiàn)的非線性物理效應(yīng)均與氣體介質(zhì)內(nèi)部的光強(qiáng)密切相關(guān)。而在飛秒激光成絲的過程中,光絲的形成以及光強(qiáng)鉗制效應(yīng)的出現(xiàn),使得對光絲內(nèi)部光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)控成為挑戰(zhàn)。近年來的研究結(jié)果表明,目前調(diào)控光絲內(nèi)部光強(qiáng)主要可以通過改變?nèi)肷涔獠úㄩL以及聚焦條件這兩類方法實現(xiàn)。A.Couairon等人通過數(shù)值模擬對比研究了248 nm和800 nm飛秒激光脈沖入射到空氣介質(zhì)中所形成的光絲光強(qiáng)以及等離子體密度,其中中心波長為800 nm的飛秒激光在空氣介質(zhì)中的鉗制光強(qiáng)以及等離子體密度相對更高[15]。A.Dergachev等人[16]以及Y.Geints等人[17]通過進(jìn)一步數(shù)值模擬以及實驗也同樣證實了這一結(jié)論。采用改變聚焦條件的方法,研究人員提出通過改變聚焦透鏡焦距[18-19]以及采用時空聚焦[20-21]等手段克服光強(qiáng)鉗制效應(yīng)的出現(xiàn)的,從而提升光絲內(nèi)的光強(qiáng)。

基于此本文提出了通過在純氮氣介質(zhì)中注入不同的惰性氣體調(diào)控光絲內(nèi)部光強(qiáng)的方案。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),通過在氮氣介質(zhì)中注入不同惰性氣體,可以對光絲內(nèi)部鉗制光強(qiáng)、等離子體密度以及軸上光強(qiáng)的時域分布進(jìn)行調(diào)控。這一結(jié)果為飛秒激光光絲調(diào)控技術(shù)提供了一種新方案,也有望也飛秒激光誘導(dǎo)的非線性光譜學(xué)研究中發(fā)揮出更多應(yīng)有價值。

2 理論模型

假定入射飛秒激光脈沖為沿z軸方向傳輸?shù)木€偏振光。根據(jù)非線性薛定諤傳輸方程,入射激光光場包絡(luò)關(guān)系滿足[2]:

(1)

對于飛秒激光脈沖,在介質(zhì)中傳播過程中的高光強(qiáng)也伴隨著等離子體的產(chǎn)生。在成絲情況下,光絲內(nèi)部的自由電子主要通過多光子電離產(chǎn)生,等離子體密度演化滿足如下方程[2]:

(2)

在計算過程中考慮了四種不同的氣體介質(zhì),即100 mbar Ne,Kr和Xe分別與900 mbar 氮氣混合后所得的混合氣體介質(zhì)(為方便表述下文簡記做:Ne-N2,Kr-N2,Xe-N2)以及1000 mbar N2(為方便表述下文簡記做N2)。計算所用參數(shù)如表1所示。

表1 入射波長為800 nm,氣體氣壓為1 atm條件下氣體參數(shù)[2]Tab.1 Gas parameters at an incident wavelength of 800 nm and a gas pressure of 1 atm[2]

3 結(jié)果與討論

入射飛秒激光脈沖為:

其中,束腰r0= 1 mm,脈寬τ= 80 fs,峰值光強(qiáng)I0=1.2×1016W/m2。不同氣體介質(zhì)中軸上光強(qiáng)和等離子體密度隨傳輸距離的演化關(guān)系圖線如圖1所示。從圖1(a)中可以看出,當(dāng)介質(zhì)中加入氣壓相同的不同惰性氣體時,光絲內(nèi)軸上鉗制光強(qiáng)發(fā)生了明顯改變。在光絲潰縮位置處,Ne-N2混合氣體與N2介質(zhì)中鉗制光強(qiáng)基本相同,而Kr-N2以及Xe-N2混合氣體中鉗制光強(qiáng)則下降明顯。對于光絲內(nèi)的等離子體密度,從圖1(b)中可以看出Xe-N2以及 Kr-N2混合氣體介質(zhì)中軸上等離子體密度為最強(qiáng),N2次之,Ne-N2混合氣體中等離子體密度最弱。這是由于在經(jīng)典模型中,飛秒激光光絲的形成來源于克爾自聚焦效應(yīng)和等離子散焦效應(yīng)的共同作用。計算中所考慮的四種氣體介質(zhì)可以看做由100 mbar Ne、N2、Kr和Xe分別與900 mbar N2均勻混合得到。由于Ne、N2、Kr和Xe四種氣體電離勢不同,因此當(dāng)其分別與900 mbar N2混合后,Ne-N2混合氣體的電離勢最高,Xe-N2混合氣體的電離勢最低,因此在純N2介質(zhì)中加入Ne所得Ne-N2混合氣體中等離子體密度下降,而加入Xe所得的Xe-N2混合氣體中等離子體密度增加。另一方面,由多光子電離產(chǎn)生的等離子體在激光傳輸過程中呈現(xiàn)出負(fù)透鏡效應(yīng),因此等離子體密度高的氣體介質(zhì)內(nèi),散焦效應(yīng)更為明顯,光絲內(nèi)的鉗制光強(qiáng)更低,反之亦然。因此在四種不同介質(zhì)中,在Ne-N2混合氣體中鉗制光強(qiáng)較高,而Xe-N2混合氣體中鉗制光強(qiáng)較低。

圖1 不同氣體介質(zhì)中軸上光強(qiáng)和等離子體密度隨傳輸距離的演化關(guān)系Fig.1 Evolution of on-axis intensity and plasma density along with propagation distance in different gas media

為了進(jìn)一步研究混合氣體介質(zhì)中的光強(qiáng)變化規(guī)律,圖2描繪了不同氣體介質(zhì)中,軸上光強(qiáng)時間分布隨傳輸距離的變化關(guān)系。從圖2可以看出,在四種氣體介質(zhì)中,在光絲的自聚焦位置處,脈沖峰值前移明顯。這是由于飛秒激光脈沖峰值位置光強(qiáng)較高,當(dāng)其在介質(zhì)中傳輸時電離產(chǎn)生的等離子體,可以降低介質(zhì)的折射率,從而導(dǎo)致脈沖后沿位置傳輸速度更快,并出現(xiàn)峰值前移。當(dāng)脈沖在氣體介質(zhì)中繼續(xù)傳輸一段距離后,入射脈沖出現(xiàn)時域劈裂,因而軸上光強(qiáng)時間分布呈現(xiàn)出“V”型特征。另一方面值得注意的是,當(dāng)改變氣體介質(zhì)時(即由Ne-N2混合氣體變化至N2,Kr-N2以及Xe-N2混合氣體時,)入射激光脈沖自聚焦對應(yīng)的潰縮位置逐漸前移,且光絲內(nèi)軸上光強(qiáng)時間分布對應(yīng)的 “V”型開口逐漸增大。這是由于在四種混合氣體介質(zhì)中,由于Ne、N2、Kr以及Xe的電離勢不同,因此光絲內(nèi)的等離子體密度滿足Ne-N2

圖2 不同氣體介質(zhì)中,軸上光強(qiáng)時間分布隨傳輸距離的變化關(guān)系Fig.2 The evolution of on-axis intensity as the function of propagation distance in different gas media

根據(jù)以上分析可以看出,不同氣體介質(zhì)中光強(qiáng)和等離子體密度的變化是由于惰性氣體注入使氣體介質(zhì)的非線性折射率和電離勢發(fā)生改變所致。由于不同惰性氣體的非線性系數(shù),以及多光子電離截面均與入射光波波長以及氣壓密切相關(guān)。可以預(yù)測通過改變?nèi)肷涔獠úㄩL,在上述四種氣體介質(zhì)中,鉗制光強(qiáng)以及等離子體密度變化規(guī)律必然不同。進(jìn)一步探索在不同波長條件下以及氣壓條件下,光強(qiáng)和等離子體密度的變化規(guī)律,闡明其實現(xiàn)的物理機(jī)制,值得我們在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步研究與探索。

4 結(jié) 論

本文采用非線性傳輸模型模擬,研究了飛秒激光脈沖在混合氣體介質(zhì)中傳輸特性。初步證實了在介質(zhì)中加入不同惰性氣體,可以對光絲內(nèi)的鉗制光強(qiáng)、等離子體密度以及軸上光強(qiáng)的時間演化特征進(jìn)行調(diào)控。這一結(jié)果為深入理解光絲產(chǎn)生機(jī)制,調(diào)控光絲的特性提供了一種新的思路,更為重要的是這一方法也有望在飛秒激光非線性光學(xué)以及飛秒激光誘導(dǎo)的超快光譜領(lǐng)域發(fā)揮更多應(yīng)用。